Ottimizzazione dei parametri della molla utilizzando l'algoritmo Bees per il meccanismo dell'ala pieghevole

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 21913 (2022) Citare questo articolo

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In questo studio, il progetto delle molle di torsione e compressione del meccanismo ad ala pieghevole utilizzato nel missile è considerato un problema di ottimizzazione. Dopo che il missile ha lasciato il tubo, le ali in attesa nello stato chiuso devono essere aperte e fissate entro un tempo specifico. Lo studio è finalizzato a massimizzare l'energia immagazzinata dalle molle affinché l'anta possa essere aperta in un tempo minimo. In questo contesto, l'equazione dell'energia in entrambe le pubblicazioni è definita come la funzione obiettivo nel processo di ottimizzazione. Come variabili di ottimizzazione sono stati determinati il ​​diametro del filo, il diametro di avvolgimento, il numero di avvolgimento e i parametri di deflessione richiesti per la progettazione della molla. Esistono vincoli geometrici per le variabili dovuti alle dimensioni del meccanismo e vi sono anche vincoli relativi al fattore di sicurezza dovuti ai carichi a cui sono esposte le molle. Per risolvere questo problema di ottimizzazione ed eseguire la progettazione della molla è stato utilizzato l'algoritmo Bees (BA). I valori energetici ottenuti con BA erano migliori rispetto ai valori ottenuti con lo studio Design of Experiment (DOE) precedente. Le molle e il meccanismo progettati con i parametri ottenuti dall'ottimizzazione sono stati prima analizzati nel programma ADAMS. Successivamente sono state effettuate prove sperimentali integrando le molle prodotte nel meccanismo vero e proprio. Come risultato dei test, si è osservato che l'ala si è aperta a circa 90 ms. Questo valore è ben al di sotto dell'obiettivo del progetto di 200 ms. Inoltre, c'è solo una differenza di 16 ms tra l'analisi e i risultati sperimentali.

Negli aerei e nei veicoli marini, i meccanismi di piegatura hanno compiti critici. Questi sistemi vengono utilizzati nel morphing degli aerei e nei lavori di conversione per migliorare le prestazioni e il controllo del volo. A seconda della modalità di volo, le ali vengono piegate e riaperte in modi diversi per ridurre gli effetti aerodinamici1. Questa situazione può essere paragonata ai movimenti delle ali di alcuni uccelli e insetti durante il volo e le immersioni di routine2. Allo stesso modo, gli alianti si piegano e si aprono nei veicoli subacquei per ridurre gli effetti idrodinamici e massimizzare le prestazioni di guida3. Un altro compito dei meccanismi è quello di fornire vantaggi in termini di volume ai sistemi, ad esempio ripiegando le eliche degli elicotteri durante lo stoccaggio e il trasporto4. Anche le ali dei missili sono ripiegate per ridurre lo spazio di stoccaggio. In questo modo è possibile posizionare più missili in un'area più piccola del sistema di lancio5. I componenti utilizzati efficacemente per piegare e aprire sono solitamente molle. Al momento della piegatura, l'energia viene immagazzinata in essi, rilasciata al momento dello spiegamento. Grazie alla loro struttura flessibile, l'energia immagazzinata e rilasciata diventa uguale. Le molle sono progettate principalmente per il sistema e questo design rappresenta un problema di ottimizzazione6. Perché, sebbene includa diverse variabili come diametro del filo, diametro di avvolgimento, numero di avvolgimento, angolo di elica e tipo di materiale, esistono anche criteri come ridurre al minimo la massa, il volume, la distribuzione dello stress o avere la massima energia7.

Questo studio rivela la progettazione e l'ottimizzazione delle molle del meccanismo ad ala pieghevole utilizzato in un sistema missilistico. All'interno del tubo di lancio prima del volo, le ali rimangono ripiegate sulla superficie del missile e, dopo essere uscite dal tubo, si aprono entro un tempo specifico e rimangono bloccate sulla superficie. Questo processo è fondamentale affinché il missile funzioni correttamente. Nel meccanismo di ripiegamento studiato nello studio, l'apertura dell'anta è affidata alla molla di torsione, mentre l'operazione di bloccaggio è affidata alla molla di compressione. Per progettare molle adeguate è necessario eseguire un processo di ottimizzazione. In letteratura esistono diverse applicazioni nell'ambito dell'ottimizzazione delle molle.

Paredes et al.8 hanno determinato la massimizzazione del fattore massimo di durata a fatica come funzione obiettivo per la progettazione della molla elicoidale e hanno utilizzato l'approccio quasi-Newton come metodo di ottimizzazione. Le variabili nell'ottimizzazione sono state determinate come diametro del filo, diametro di avvolgimento, numero di spire e lunghezza della molla. Un altro parametro nella progettazione delle molle è il materiale utilizzato nella sua produzione. Pertanto, viene considerato negli studi di progettazione e ottimizzazione. Zebdi et al.9 stabiliscono l'obiettivo della massima rigidità e del peso minimo nella funzione obiettivo in uno studio in cui il fattore peso è essenziale. Hanno determinato il materiale della molla e le proprietà geometriche come variabili in questo contesto. Hanno usato l'algoritmo genetico come metodo di ottimizzazione. Nel settore automobilistico, i pesi dei materiali sono efficaci in molti ambiti, dalle prestazioni del veicolo al consumo di carburante. Ridurre al minimo il peso nell'ottimizzazione delle molle elicoidali utilizzate per le sospensioni è uno studio famoso10. Bakhshesh e Bakhshesh11 hanno individuato materiali come vetro E, carbonio e Kevlar come variabili nel loro lavoro nell'ambiente ANSYS e hanno mirato al peso minimo e alla capacità di tensione massima tra diversi design compositi per le molle di sospensione. I processi produttivi sono essenziali nella progettazione delle molle in composito. Pertanto, nel problema di ottimizzazione, entrano in gioco diverse variabili, come i metodi di produzione, le fasi eseguite durante il processo e la sequenza di queste fasi12,13. Nelle molle progettate per sistemi dinamici è opportuno considerare la frequenza propria del sistema. Si raccomanda che la prima frequenza naturale della molla sia almeno 5-10 volte maggiore della frequenza naturale del sistema per evitare risonanza14. Taktak et al.7 hanno scelto di minimizzare la massa della molla e massimizzare la prima frequenza naturale come funzione obiettivo nel progetto della molla elicoidale. Hanno utilizzato i metodi Patternsearch, Punto interno, Set attivo e Algoritmo genetico nello strumento di ottimizzazione Matlab. Una delle parti degli studi di progettazione delle molle è lo studio di analisi e il metodo degli elementi finiti è prevalente in questo campo15. Patil et al.16 hanno sviluppato una tecnica di ottimizzazione per ridurre il peso della molla di compressione elicoidale utilizzando il processo analitico e hanno verificato le equazioni analitiche con il metodo degli elementi finiti. Un altro criterio che aumenterà l'utilità della primavera è l'aumento dell'energia che può immagazzinare. Questa situazione garantisce inoltre che la sorgente mantenga la sua utilità per lunghi periodi. Rahul e Rameshkumar17 miravano a ridurre il volume della molla e ad aumentare l'energia di deformazione nel design della molla elicoidale utilizzata nel settore automobilistico. Hanno anche utilizzato algoritmi genetici nei loro studi di ottimizzazione.